宋麗梅 張京婧 姚華 李琳 陳艷霞 吳宗武

1華北油田公司第二采油廠

2中國(guó)石油北京油氣調(diào)控中心

3華北油田公司技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)處

目前，華北油田油氣生產(chǎn)聯(lián)合站內(nèi)原油儲(chǔ)罐的工藝主要是通過自然沉降、提高罐內(nèi)原油溫度和添加破乳劑等方式實(shí)現(xiàn)油水分離。雖然有智能雙位測(cè)量?jī)x、磁致伸縮測(cè)量?jī)x等儀表進(jìn)行界位的測(cè)量，但均為點(diǎn)位測(cè)量，不能完成全程含水的檢測(cè)。罐內(nèi)一般會(huì)形成幾十厘米甚至幾米厚的油水混合過渡帶，沒有明顯的油水界面?，F(xiàn)有檢測(cè)儀表的局限性導(dǎo)致無法進(jìn)行準(zhǔn)確盤庫，因此，如何客觀、真實(shí)地反映儲(chǔ)罐內(nèi)液位、界面分布及各層含水率和溫度變化情況，應(yīng)建立原油儲(chǔ)罐一體化檢測(cè)平臺(tái)來科學(xué)指導(dǎo)加藥和盤庫工作。全程含水分析儀的應(yīng)用在有效節(jié)約破乳劑日添加量及天然氣日消耗量的同時(shí)，可優(yōu)化破乳效果提高盤庫準(zhǔn)確性，產(chǎn)生持續(xù)經(jīng)濟(jì)效益且達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)。

1 技術(shù)思路

1.1 系統(tǒng)原理

目前，原油含水率的精確測(cè)量越來越重要，對(duì)油田的開發(fā)、生產(chǎn)和銷售有很大影響，而國(guó)內(nèi)外原油含水率測(cè)試產(chǎn)品不多，性能指標(biāo)和適用范圍差別也較大[1]。本次全程含水分析儀的研制，針對(duì)石油聯(lián)合站原油儲(chǔ)罐相關(guān)檢測(cè)參數(shù)，整合含水率、液位、界面及溫度測(cè)量功能于一體，開發(fā)同時(shí)具備超聲波和溫度兩種傳感器的多功能信號(hào)采集裝置，是一種原油儲(chǔ)罐全程含水分析儀。由于超聲波傳感器穩(wěn)定性高，且不受混合物電解質(zhì)的影響，超聲波是機(jī)械波，與物質(zhì)作用可以不考慮電導(dǎo)率的影響；因此，使用超聲波共振法測(cè)試含水率可以在動(dòng)態(tài)、靜態(tài)下測(cè)量，不必考慮液體垂直流動(dòng)特性，這是短波吸收法、微波法、電容法無法比擬的[2]。檢測(cè)單元利用超聲波反射原理，通過信號(hào)采集裝置上的超聲波傳感器發(fā)射幾十千赫茲的超聲波在罐內(nèi)液體中傳播，并反射到超聲波傳感器對(duì)面的光滑金屬表面上；信號(hào)采集裝置中的傳感器通過接收金屬表面反射回來的聲波，經(jīng)過信號(hào)采集裝置內(nèi)部的信號(hào)比較電路進(jìn)行比較處理，通過電路的自動(dòng)調(diào)整作用，原油含水率變化被轉(zhuǎn)換為超聲波換能器輸出電壓的變化[3]。

超聲波在不同溫度的原油內(nèi)傳播速度是不一樣的，但符合溫度補(bǔ)償系數(shù)變化規(guī)律。儲(chǔ)罐內(nèi)的溫度近似恒溫46℃，通過查表可知46℃原油聲速，原油通過溫度補(bǔ)償公式（1）進(jìn)行校準(zhǔn)，即

式中：v1為溫度補(bǔ)償后油中的聲速，m/s；v0為油中的聲速，m/s；-3.5為溫度補(bǔ)償系數(shù)，m/(s·℃)；t0為儲(chǔ)罐內(nèi)的實(shí)際溫度，℃。

儲(chǔ)罐內(nèi)的原油通過溫度補(bǔ)償公式校準(zhǔn)而計(jì)算出油中的聲速為1 262.02 m/s。傳感器的總距離是油的距離加水的距離，而距離可以通過速度乘時(shí)間計(jì)算得到，由此超聲波測(cè)量的計(jì)算公式可寫為

式中：s為超聲波經(jīng)過的距離，m；t1為穿過油中的時(shí)間，s；v2為水中的聲速，m/s；t2為穿過水中的時(shí)間，s；t為穿過兩種液體的總時(shí)間，s。超聲波傳感器探測(cè)的距離是6 cm，而水中的聲速通過查表可知為1 514.20 m/s，傳感器實(shí)際測(cè)量的時(shí)間在傳感器實(shí)際測(cè)量范圍。含水率的計(jì)算公式是

通過計(jì)算可得出儲(chǔ)罐內(nèi)含水率的準(zhǔn)確值。

超聲波傳感器通過機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)信號(hào)采集裝置在罐內(nèi)上下移動(dòng)，而機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)編碼器的運(yùn)動(dòng)，編碼器將運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)通過上位機(jī)的軟件運(yùn)算處理后即可以確定信號(hào)采集裝置在罐內(nèi)的具體位置。最后把信號(hào)采集裝置數(shù)據(jù)與編碼器數(shù)據(jù)通過上位機(jī)整合后形成儲(chǔ)罐內(nèi)的液位、界面狀態(tài)，并把含水率、溫度數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控室的上位機(jī)上。

1.2 系統(tǒng)組成

全程含水分析儀由信號(hào)采集裝置、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、防爆控制盒（PLC）和上位機(jī)四部分組成。

信號(hào)采集裝置：該裝置由傳感器和數(shù)據(jù)處理電路組成。信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器發(fā)出經(jīng)超聲波檢測(cè)裝置(超聲波傳感器)、信號(hào)采樣電路進(jìn)入數(shù)字示波器輸入端[4]，傳感器把罐內(nèi)測(cè)得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理電路中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。信號(hào)采集裝置的電路板與殼體固定，并用電子灌封膠澆封方式密封處理，使其達(dá)到本質(zhì)安全級(jí)別防爆和IP65密封要求。信號(hào)采集裝置外殼前端由2個(gè)垂直支架支撐傳感器，且傳感器的電線從一端支架中穿過，進(jìn)入殼體內(nèi)部；該裝置通過鋼絲繩吊裝在灌頂，鋼絲繩另一端纏繞在繞線盤上（圖1）。

圖1 信號(hào)采集裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of signal acquisition device

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置：拖動(dòng)信號(hào)采集裝置在油罐內(nèi)上下移動(dòng)。該裝置的核心是伺服電動(dòng)機(jī)，將伺服電動(dòng)機(jī)放入防爆箱中并與減速齒輪連接，減速機(jī)的軸上套上磁耦合連接器，與外部磁耦合連接器用磁力相連；外部磁力連接器連接繞線盤，最終提供合適的扭矩，如圖2、圖3所示。伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)信號(hào)采集裝置移動(dòng)時(shí)將自己的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)傳送給PLC，以此來確定信號(hào)采集裝置當(dāng)前位置，確定儲(chǔ)罐內(nèi)各個(gè)位置的含水率。

圖2 機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of mechanical device structure

圖3 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of motor driving device

防爆控制盒（PLC）：主要用來傳輸數(shù)據(jù)及控制電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，外部數(shù)據(jù)可通過通信電纜方便地與數(shù)字示波器外觸發(fā)輸入端口連接[5]。上位機(jī)下達(dá)的各種指令傳送給PLC，通過讀取指令控制下端電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，同時(shí)把下端電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置和信號(hào)采集裝置接收到的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。

上位機(jī)：根據(jù)設(shè)定的程序或操作員的指令，向PLC下達(dá)開始檢測(cè)或停止檢測(cè)的指令，并根據(jù)PLC發(fā)送回來的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，顯示當(dāng)前含水率并繪制全程含水率曲線，輸出界位值、庫存量、溫度、報(bào)警信息等。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與評(píng)價(jià)

2.1 安裝方案

現(xiàn)場(chǎng)安裝主要有兩種方案：

（1）將儲(chǔ)罐全程含水分析儀安裝在罐頂含水儀孔（圖4）上，代替原含水儀。安裝含水儀的管道直徑約為90 mm，將信號(hào)采集裝置直徑控制在75 mm左右即可放入罐內(nèi)，滿足絕大部分原油儲(chǔ)罐的安裝條件，安裝的信號(hào)采集裝置可以替代原含水儀。伺服電動(dòng)機(jī)放在罐的外圍下方通過鋼絲繩牽引檢測(cè)裝置。

（2）將儲(chǔ)罐全程含水分析儀安裝在透光孔（圖5）上。透光孔的直徑約620 mm，需在透光孔上的法蘭盤開15 mm的孔用來穿過吊重線和通信線，而經(jīng)常開合透光孔會(huì)影響設(shè)備正常工作，因此建議安裝在原含水儀表的位置。

圖4 含水儀孔Fig.4 Pore of hydrometer

圖5 透光孔Fig.5 Transparent pore

2.2 技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

（1）在罐頂?shù)臋z測(cè)裝置進(jìn)入口處安裝定制密封結(jié)構(gòu)，帶絲扣旋蓋在放入傳感器后可旋緊，使儲(chǔ)罐內(nèi)部封閉防止漏氣。

（2）法蘭盤和出口處安裝過濾裝置，濾除鋼絲繩帶出的原油同時(shí)避免雜物進(jìn)入。

（3）牽引繩的各拐點(diǎn)安裝動(dòng)滑輪裝置，選用銅質(zhì)萬向輪，防爆且傳動(dòng)更加靈活（使用中的拱頂罐，驅(qū)動(dòng)裝置位置偏高，固定時(shí)達(dá)不到動(dòng)火條件，因此未裝在頂部）。

（4）電纜采用聚四氟乙烯護(hù)套的屏蔽多芯軟電纜，與牽引繩多點(diǎn)固定，電纜不受拉力，在牽引繩向上拉時(shí)電纜彎折收縮。

（5）防爆控制盒內(nèi)安裝伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、現(xiàn)場(chǎng)控制單元PLC和本安電路安全柵等電氣元件。

（6）系統(tǒng)的電源接入防爆控制盒，電源為AC 220 V。

（7）防爆控制盒與電動(dòng)機(jī)防爆盒通過防爆管相連接，驅(qū)動(dòng)電纜及控制電纜從防爆管內(nèi)穿過。

（8）現(xiàn)場(chǎng)控制單元信號(hào)通過485通信電纜，遠(yuǎn)程傳輸?shù)街锌厥业纳衔粰C(jī)電腦，上位機(jī)部署人機(jī)界面，以便值班人員操作與查看儲(chǔ)罐的含水率情況。

2.3 應(yīng)用效果

全程含水分析系統(tǒng)通過軟、硬件結(jié)合運(yùn)行工作，形成了友好的人機(jī)界面。操作人員可在系統(tǒng)中手動(dòng)設(shè)置液位上下限報(bào)警值及儲(chǔ)罐罐高、直徑等基本參數(shù)，鼠標(biāo)點(diǎn)擊“開始測(cè)量”按鈕，檢測(cè)探頭從罐頂?shù)焦薜组_始全程自動(dòng)檢測(cè)，全程大約需要10 min。

經(jīng)多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并結(jié)合人工取樣數(shù)據(jù)對(duì)比，油水界面及含水率檢測(cè)誤差均小于或等于2%，可測(cè)量高度不小于15 m，含水率測(cè)量間隔不超過1 cm，量程為0～100%，測(cè)量精度小于或等于1%。最終，系統(tǒng)界面上描繪出全程含水率分布曲線。根據(jù)含水率分布情況運(yùn)算分析，得出儲(chǔ)罐內(nèi)實(shí)時(shí)含水率、溫度以及油層、水層及過渡帶的分層情況，并與原油庫存量值一同顯示在界面上。

3 結(jié)論

通過整合超聲波和溫度傳感技術(shù)研制了全程含水分析儀，并以此成功搭建起一套原油儲(chǔ)罐綜合數(shù)據(jù)檢測(cè)分析管理平臺(tái)。針對(duì)原油儲(chǔ)罐無法實(shí)現(xiàn)含水率全量程檢測(cè)問題，該分析儀實(shí)現(xiàn)了液位、界面、溫度、過渡帶綜合檢測(cè)。通過該設(shè)備可以人工遠(yuǎn)距離控制儲(chǔ)罐內(nèi)油樣的測(cè)量，在減輕人員勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)解決了其他傳統(tǒng)儀表測(cè)量數(shù)據(jù)不全面、不準(zhǔn)確的缺陷，避免了現(xiàn)有檢測(cè)儀表無法準(zhǔn)確測(cè)量罐內(nèi)油、水及混合過渡帶分布情況，無法準(zhǔn)確進(jìn)行盤庫的局限性。結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以摸索出加藥量、溫度控制對(duì)過渡帶的影響規(guī)律，為脫水工藝提供可靠依據(jù)，優(yōu)化加熱、加藥方案，節(jié)約成本，提質(zhì)增效。

通過數(shù)據(jù)綜合檢測(cè)分析平臺(tái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的科學(xué)精細(xì)化管理，以數(shù)據(jù)作支撐，精確指導(dǎo)生產(chǎn)管控，是下一步努力的方向[6]。